地球还有进动和岁差（轴向进动），实际两者的含义是一样的，但是有本质的现象区别。它们的含义类似于陀螺仪，一种在自转状态下的物体，其自身的自转轴又在围绕另外一个轴做自转运动。进动在地球公转的椭圆轨道中最为明显，而岁差在地球自转中最为明显（可称自转轴进动）。

进动概述

首先我们来简单的了解下进动的概念，这种现象类似于我们生活中的陀螺仪，一种在自转状态下的物体，其自身的自转轴又在围绕另外一个轴做自转运动的一种现象。更深层次的理解是：进动是自转体的自转轴方向的运动。在适当的参考系中，它可以定义为第一欧拉角（描述刚体在三维欧几里得空间的取向）的变化，而第三欧拉角定义为自转本身。换句话说，如果主体的自转轴本身绕第二轴自转，则称该主体围绕第二轴进动。 第二欧拉角改变的运动称为章动（路径中的微小摆动）。 在物理学中，有两种类型的进动：自由力矩进动和诱导力矩进动（torque-free and torque-induced）。

在天文学中，岁差是指天体的自转或轨道参数中的任何一个缓慢变化。 一个重要的例子是地球自转轴的方向的稳定变化，称为昼夜平分点的进动（轴进动）。下文我们将分开讲述。

水星公转轨道进动，图：《从零学相对论》-水星近日点进动

地球的公转轨道进动

行星围绕太阳的轨道并不是每次都遵循一个相同轨迹的椭圆，而实际的情况时这些轨迹会描绘出一个花瓣形状，因为每颗行星的椭圆轨道的主轴也在其轨道平面内发生进动，部分原因时以回应其他行星的引力改变所施加的摄动。这种现象叫做近日点进动或拱点进动。

在地球的不同椭圆公转中，我们可以得知地球在做拱点进动。当地球绕太阳运行时，它的椭圆轨道随时间逐渐旋转。在太阳系中，大多数轨道的离心率要小得多，进动速度要慢得多，这使得它们几乎是圆形的和静止的。

按照牛顿力学，行星的轨道是以太阳为一个焦点的椭圆。然而观测结果与此略有歧离。以最靠近太阳的水星为例，虽然它在每一周期中的轨道很接近椭圆，但两个相邻周期的两个“椭圆”的长轴并不重合，表现在它的近日点( perihe-lion)的微小改变上。随着时间的推移,由于积累效应，“椭圆”的长轴(因而近日点)绕太阳的缓慢转动变得可以观测。这现象叫做近日点的进动(precession)。从1697年至1848年的天文观测表明水星近日点的进动率是每世纪5 600"("代表角秒)。如何解释?法国数学家勒威耶(Le Verrier)用牛顿力学对水星运动做过长期研究，并于1859年再次发表研究报告。根据这一研究，水星近日点由于某些原因(例如其他行星的影响)的确应该进动，但所有原因造成的进动率也只有每世纪5557",余下的每世纪43"无法解释，这就是著名的“43秒问题”。他猜想这个43"来自一个尚未认识的行星的影响,并将它命名为祝融星( Vulcan)。由于不久之前他在预言海王星上取得巨大成功，很快就在国际天文学界掀起了寻找祝融星的热潮,许多天文学家(包括业余的)先后报告他们发现了祝融星的踪迹,但是要么禁不起考验，要么互相矛盾。虽然勒威耶在1878年去世时仍然坚信他的猜想，但是绝大多数天文学家都不认可。直至1915年爱因斯坦的广义相对论文章[爱因斯坦等《相对论原理》(1980中译本)]发表后，人们才有足够理由相信祝融星的假设是多余的。

太阳和月亮之间的引力引起了地球轨道的进动，这是地球气候振荡的主要原因之一，其持续时间为19000至23000年。 由此可见，地球轨道参数的变化（例如，轨道倾角，地球自转轴与其轨道平面之间的角度）对于研究地球气候非常重要，特别是对过去冰河时期的研究。

岁差概述

（轴向进动）

在天文学中，轴向进动（岁差）是由于天体自转轴方向的重力引起的缓慢的和连续的变化。 特别是，它可以指在大约25772年的时间中地球自转轴方向在做逐渐的周期变化。这类似于旋转陀螺的进动，轴线在它们的顶点处描绘出一对锥体。 “岁差”这个名词通常只针对长期运动，其他在地轴准线上的变动，如章动和极移，它们的规模则要小得多。

地球的岁差在历史上被称为昼夜平分点的岁差（简称分点岁差），因为昼夜平分点相对于固定的恒星沿着黄道向西移动，与太阳沿黄道每年的运动相反。 在非技术的讨论中仍沿用此一名词，这点在详细的数学中是不存在的。从历史上看，分点岁差的发现通常归因于西方的希腊时代（公元前二世纪）的天文学家希喜帕恰斯，尽管有人声称还有更早期的发现，例如在公元前700年的印度文本《吠檀迦约提萨（Vedanga Jyotisha）》中。随着十九世纪上半叶计算行星之间引力的精度的提高，人们认识到，早在1863年，黄道本身也有轻微地移动，称为行星岁差，而占主导地位的部分称为日月岁差。它们合起来被称为综合岁差，而不是分点岁差。

日月岁差是由月球和太阳对地球赤道隆起的引力引起的，导致地球轴线相对于惯性空间移动。行星岁差（前进）是由于地球上其他行星的重力与其轨道平面（黄道）之间的小角度，导致黄道平面相对于惯性空间略微偏移。日月岁差大约是行星岁差的500倍。除了月球和太阳，其他行星也会引起地球轴线在惯性空间中的微小移动，使得月球岁差与行星岁差在对比时产生误导性，所以在2006年，国际天文学联合建议将主要部分重名为赤道岁差。而次要的较微弱的部分则改名为黄道岁差，但它们的组合仍称为综合岁差。

从天球外观察岁差运动,图：Tauʻolunga

地球自转引起的岁差

我们知道地球在围绕自己的一个轴线不停的自转，但是你知道么？这个轴线是会动的，它的轨迹是圆锥形状的，也就是假设的线端点轨迹为一个圆圈，这就是地球的轴向进动，也就是我们熟知的岁差现象。往仔细的讲，这个轨迹并不是正圆的，或者说其轨迹在每个圆线点上是摆动的前进，这就是另一种现象了，我们称为章动，本文不解释这个。

地球的自转岁差是很微小的进动，它的周期大约为26000年。地球的岁差还导致了轴线极点的指向位置，也就是北极星的“宝座”永远不会一直坐着。大约在公元前1500年到公元500年期间“北极星”的“宝座”由北极二坐镇，北极二在中国古代称为“帝星”，是小熊座的第二亮星，仅稍暗于现在的北极星勾陈一。另一方面，公元前3000年“北极星”的“宝座”由右枢坐镇，不过其亮度近4（等），所以不那么引起注意。明亮的织女星经常被吹捧为最好的“北极星”（它在公元前12000年左右履行了这一职责，并将在14000年左右再次履行这一职责）。当北极星在27800年左右再次成为北极星时，由于它的自转，北极星将比现在离北极点更远，而在公元前23600年它比现在更靠近北极点。

地球的岁差运动，图：NASA, Mysid

参考资料

1.WJ百科-英文版（Axial precession/Precession）

2.《从零学相对论》-水星近日点进动

文章作者：零度星系（天文在线）

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最后更新：2018年12月28日星期五

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全文排版：天文在线（零度星系）

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